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廣東省東莞市冷卻塔煙囪參數研究調查

集成新冷卻塔的太陽能煙囪的參數研究,該新冷卻塔集成在一個新房間中,為廣東省東莞市提供氣候信息。
 
概要:
廣東的房屋設計時常常沒有充分考慮到氣候。因此,新房子的室內氣候通常很差,這會影響舒適度,健康狀況和建筑效率。在炎熱和干旱的氣候中,被動冷卻系統采用非機械程序來維持合適的室內溫度。因此,他們一直在使用新技術來增加傳統冷卻概念的影響。因此,這些條件鼓勵了這樣一種概念,即通過蒸發冷卻來增強自然通風并節省新阿西烏特市的能源。在本研究中,作為新集成模型的第二階段,對太陽煙囪參數對風塔參數的影響進行了數值研究。第一階段介紹了所有詳細的數學方程式和系統描述。在瞬態系統仿真程序-多區域滲透專家程序軟件的結合中實現了數值模擬。在第二階段對集成系統的參數研究進行了研究,目的是通過新型緊湊的小型設計實現高性能,尤其是在夏季最熱的日子??紤]到區域壓力和蒸發冷卻器組件中的壓降,反復預測溫度和氣流速率。結果表明,根據供熱,制冷和空調工程師學會的適應性舒適標準,該系統在最熱的一天達到了至少接近80%的可接受舒適度范圍,最佳通風速率為414 m3 / h。研究結果表明,與第一階段的參數研究之前的擬議系統相比,該系統在最熱的一天中具有較高的性能,且太陽能煙囪尺寸較小,并且易于集成到建筑圍護結構中。
 
介紹
建筑物的運行消耗大量能量[1]。隨著建筑師和工程師繼續尋找更好的方法來改善建筑物的室內環境質量和能源效率,使用自然通風為建筑物降溫仍然是提供空氣流動和冷卻的方法。增加建筑物中空氣流動的一種方法是在設計中實施太陽能煙囪[2]。帶有蒸發冷卻塔的太陽能煙囪的應用由于其獨特的優勢而引起了廣泛的關注[3]。被動式蒸發冷卻是在干熱氣候中最有效的方法,可在最有效的方式上提高熱舒適度。從歷史上看,蒸發冷卻在全世界炎熱的干旱國家中廣泛用于傳統建筑中[4-6]。關于使用自然通風和蒸發冷卻策略來產生冷空氣以及使用太陽能煙囪對建筑物中的熱誘導通風的影響,已經進行了許多研究; Maerefat和Haghigi提出了一種新的太陽能系統,該系統采用了帶有煙囪和蒸發冷卻腔的太陽能煙囪。數值計算表明,即使在200 W / m2的低太陽強度和40°C的高環境溫度下,具有正確配置的集成系統也能夠在白天的起居室內提供良好的室內條件[7]。 。 Alemu等。開發了將被動氣流組件納入多區域通風和建筑物熱力耦合模型的集成模型。該模型可以在設計階段評估自然通風系統和混合通風系統等被動功能的組合,例如太陽煙囪和風誘導的土-空氣隧道[8]。全球范圍內對太陽能利用的認識不斷提高[9]。正在進行一些研究人員,研究采用被動冷卻的太陽煙囪的優化和參數研究。 [10]研究了一些幾何參數,例如煙囪入口的大小和寬度,以預測房間以及煙囪中的流動模式??梢缘贸鼋Y論,將進氣口尺寸增加三倍只會使每小時換氣速度(ACH)提高近11%。但是,將煙囪寬度增加三倍,可使ACH改善了近25%,從而保持了入口尺寸不變。  [11]通過實驗研究了使用垂直煙囪(帶或不帶濕屋頂)來增強室內通風的效果。他們報告說,根據環境溫度和太陽能強度,太陽能煙囪可將室內溫度降低1–3.5°C。此外,在屋頂上灑水以及使用太陽能煙囪可以使室內溫度進一步降低2–6.2°C。 [12]研究了一個透明的屋頂,該屋頂與下面的一個閣樓室一起使用,以產生可驅動建筑物自然通風的驅動力。他們研究了兩層建筑的不同煙囪傾斜角度和高度。他們分析了空間內部以及閣樓房間和垂直煙囪中的流動流線。結果表明,將屋頂的傾斜角度從15°增大到60°可以改善ACH。哈里斯等。 [13]通過計算分析了傾斜角度對通風率的影響。他們報告說,最大流速的最佳角度是與水平方向成67.58°。與垂直煙囪相比,通風率提高了近11%。
 
最后,研究了單室屋頂太陽能煙囪傾斜角度對自然通風的影響。作者發現,最佳吸收體傾斜度在40°至60°之間變化,緯度在20°至30°范圍內變化。此外,他們報告說,與30°和60°相比,在45°角處的空氣流量高出10%。在他們的結果中,他們引用了在空氣間隙為0.3 m,入口高度為0.3 m的情況下,正午時45°傾斜角可獲得最高流量(190 kg / h)。此外,取決于緯度,在任何地方的最佳傾斜度都在40°至60°之間變化[14]。結果,對于研究不同太陽煙囪參數對風塔參數的影響的過去文獻存在局限性。兩種系統集成的優勢尚未優化。
 
因此,本文的主要目的是對所提出的系統進行參數研究,以提高系統性能并實現小型緊湊型設計,尤其是在炎熱時期,其具有較高的熱舒適性。通過使用多區域滲透專家程序(COMIS)-瞬態系統仿真程序(TRNSYS)軟件的結合,了解穩態條件下太陽能煙囪和風塔各個參數對系統性能敏感性的影響,從而完成了此任務。該開發系統在單個區域的房間中使用,以結合使用不同參數的組合來研究集成系統的性能和優勢,從而實現緊湊而高性能的系統。
 
廣東東莞帶煙囪冷卻塔

被動系統的描述
在廣東東莞市夏季,在第一階段研究了集成有蒸發冷卻風塔的太陽能煙囪的性能。該提議的系統在夏季最熱的日子中達到了舒適度,其中95%的室內溫度低于80%可接受的舒適度范圍的上限[15,16]。這項研究基于對室內環境的建筑物測量案例研究,并就廣東房屋中的當前氣候問題進行了回顧[17,18]。該系統的性能是要提供所需的舒適條件和合適的通風速率,具體取決于幾個參數,例如環境條件(溫度,太陽輻射,相對濕度,風速和風壓系數)。該模型適用以下尺寸和規格:該系統位于新阿西尤特市,北緯27.30°,東經31.15°。太陽煙囪朝南。對尺寸為4.0 m×4.0 m×3.125 m(L×W×H)的單個區域進行計算。但是,對于新提議的系統,煙囪的傾斜長度在傾斜角上為2 m,而冷卻塔的高度為1 m,以便根據廣東建筑法規不將垂直高度延伸到建筑物上方。同樣,假設塔和煙囪的最大寬度等于1 m。這有助于輕松地將其應用于廣東建筑外墻。因此,參數研究是在這些范圍和條件下進行的。
 
帶有蒸發冷卻器風塔的太陽能煙囪示意圖
 
全尺寸圖片
該系統正在開發中,它帶有一個太陽能煙囪和一個小的蒸發冷卻風塔。蒸發墊提供較大的水表面,并且通過從上述水源滴下水來潤濕墊。 EC由同心浮球閥工作,當集水格柵中的水位低時,該浮球閥會打開,從而允許更多的水進入。當水位回到滿水位時,閥門自動關閉。開發的模型在COMIS-TRNSYS仿真軟件中實現。該直接蒸發式冷卻塔使用的部件號為1。 TRNSYS 16(TESS)庫的506d-熱能系統專家庫在頂部使用濕介質,并且該組件由美國熱能系統專家組裝和驗證,并于2004年進行了修改。本模型包括特殊的氣流組件需要同時預測溫度和氣流速率。在已開發的多區域通風模型中,建筑物被理想化為通過離散氣流路徑連接在一起的區域,開口和管道系統。區域由節點表示。煙囪和蒸發冷卻通道由用于阻力和壓降計算的管道表示。假定區域中存在流體靜壓條件,并且每個連接中的流速被定義為區域壓力的函數,這將導致一個非線性方程求解器系統,該系統由每個區域的質量守恒定義[19]。在已發表的論文[16]中詳細討論了集成系統的數學方程,并對該系統進行了全面描述。
 
方法
通過了解第一階段和第二階段穩態條件下太陽能煙囪和風塔各個參數對系統性能敏感性的影響,開始進行系統研究。圖2顯示了參數研究過程的流程圖。
 
參數研究程序流程圖
 
全尺寸圖片
參數研究使用了夏季的關鍵室外條件來研究穩態期間的參數研究,因此室外輸入溫度為38°C,相對濕度為17%,太陽輻射為600 W / m2。在下一階段(第三階段)中,使用模型[20,21]中的廣東東莞市的真實天氣數據選擇有助于實現室內熱舒適性的穩態階段的重要參數,以便對其進行研究。第三階段旨在研究實現緊湊和高性能系統的不同參數。真實天氣數據來自典型的氣象年(TMY)數據集,這些數據集源自1961–1990年國家太陽輻射數據庫[20]。
 
然后,根據自適應舒適標準(ACS)的舒適范圍和供熱,制冷和空調工程師協會(ASHRAE)的溫度計量學,對參數研究最后階段的結果進行分析并與擬議系統進行參數研究之前進行比較圖表。因此,對太陽能煙囪和風塔的重要尺寸參數進行了研究,而其他性能參數(例如吸收器的吸收率-透射率,排放系數,進出口之間的長度,傳熱系數等)保持恒定。在這個模型中。
 
使用程序將通風模型集成到常規熱模型中,以對系統性能產生重大影響。熱量和通風模型的詳細信息基于數學計算[15]。
 
參數研究
預測了由于煙囪傾角變化而引起的內部流動模式,并在圖3中以不同的角度呈現:10°,20°,30°,40°,50°,60°和70°。從圖3可以看出,煙囪傾角對空間氣流模式有明顯的影響??諝饬魉俚倪@些變化取決于太陽輻射的強度,煙囪的表面方位角以及水平的表面標題。 10°的小傾斜角顯示出高的流動阻力和突然流動且對太陽能的吸收低。一旦煙囪傾斜角增加到40°,室內和煙囪的流速就會增加。對于40°的傾斜角,可以看到最佳的流型。另一方面,當煙囪傾斜角增加到70°時,室內空氣流量又減少了一次。這是由于較少吸收太陽能。
 
傾斜角的參數研究及其結果
 
全尺寸圖片
圖4顯示了煙囪氣隙隨室內溫度和換氣率的變化。結果表明,隨著空氣間隙厚度的增加,室內空氣變化率從0.1 m增加到0.4 m。相反,0.4 m后氣隙的增加對室內冷卻溫度和換氣率沒有影響。這是因為,當氣隙增加時,對流傳熱系數降低。根據太陽煙囪中溫度預測的計算,對流傳熱系數與氣隙厚度成反比。氣隙為0.1 m時,煙囪的阻力較大,從而降低了流量。因此,需要使用實際天氣數據研究氣隙的參數為0.2、0.3和0.4 m。
 
氣隙結構及其結果的參數研究
 
顯示了由于不同的煙囪寬度和氣隙的組合而導致的室內溫度和空氣變化率的變化。根據已開發的系統得出的結論是,根據ASHRAE標準,煙囪寬度為1 m的煙囪在白天可實現良好的室內空氣流量和二氧化碳濃度,而隨著增加,超過1 m的煙囪可實現超過室內空氣流通需求的煙囪在室內溫度下。需要具有不同氣隙寬度的煙囪寬度1、0.75和0.5 m的不同組合。顯然,在不同的氣隙尺寸下,當煙囪寬度等于0.5 m時,室內溫度會升高。另外,由于室內溫度的升高,煙囪寬度為0.5 m不能支持室內的熱舒適性。因此,使用實際天氣數據研究煙囪寬度1 m和0.75 m非常重要。
 
煙囪寬度和氣隙組合結構的參數研究及其結果
全尺寸圖片
圖6顯示了不同塔深度和寬度對室內溫度的影響。當塔的尺寸減小時,較少的空氣從外部進入塔,幾層空氣與濕墊表面接觸,這導致空氣的蒸發速率降低,而煙囪的出口冷卻能量較低。因此,室內溫度升高,尤其是對于塔的深度和寬度等于0.5 m時。同時,系統的性能隨著尺寸等于1 m(塔深度為0.7 m,塔寬度為1 m)而提高。這會導致室內溫度降低,并獲得更多的制冷效果。因此,最好選擇塔架深度為1和0.7 m,塔架寬度為1 m,以模擬真實的天氣數據。
 
穩態條件下塔架尺寸結構及其結果的參數研究
 
全尺寸圖片
在研究第一,第二階段太陽能煙囪和風塔的室內溫度和空氣變化率的各個參數的基礎上,選擇重要的參數進行仿真,以實現緊湊,高性能的設計。這些參數分別為:煙囪寬度1和0.75 m,氣隙0.2、0.3和0.4 m,深度1和0.7 m,塔架寬度1 m。因此,需要使用6月19日至6月23日夏季夏季最熱天的真實天氣數據(典型)來模擬11個案例。
 
結果與討論
顯示了參數研究之前的擬議系統以及參數研究之后的11個案例。結果表明,只有一個最佳情況,太陽能煙囪的尺寸為0.75 m×0.4 m,風塔的尺寸為1 m×1 m,才能達到接近可接受舒適度范圍上限80%的最小值。通過選擇最熱的一天(6月20日)并比較參數研究前后的模擬結果,參數研究前后的差值接近1.5°C(圖8)。
不同系統尺寸的室內溫度與室外溫度的關系
 
在最熱的一天中進行參數研究之前和之后擬議系統之間的差異
 
顯示了參數研究后系統的有效通風率。顯然,增加室內通風量(> 414 m3 / h)會導致室內空氣溫度升高。同樣,低通風率(<414 m3 / h)會導致室內空氣溫度升高。因此,最佳通風速率為414 m3 / h,從而實現了最佳室內空氣溫度。
 
系統中的有效通風率
 
通過基于數學方程[22]從產生的空氣變化率計算房間中的二氧化碳濃度,尤其是在白天,根據ASHRAE舒適標準[23],室內濃度<1,000 ppm,室內空氣變化率比室內空氣變化率高。參量研究之前的系統如圖10所示。很明顯,參量研究前后的CO2濃度最大差異(%)為7.8%,平均為3.1%。
 
在6月19日,20日,21日和22日進行參數研究之前和之后,擬議系統的CO2濃度和ACH
假設最多四人入住該房間,且與其他房間沒有空氣交換。該濃度是根據房間中的流速,根據廣東人體表面積(1.84 m2)[24],代謝率= 1.2和室外CO2濃度(380 ppm)的人均CO2產生率(23.8)計算的。在假定最大乘員負載的情況下,這有助于了解單個區域上集成系統的性能。
 
結論
本研究旨在調查太陽能煙囪和風塔參數對室內通風速率和溫度模式的影響。然后,對重要參數進行優化,以實現緊湊和高性能的設計。從系統的數值運算得出重要結論:
 
該系統在最熱的日子達到了可接受范圍的80%的上限,有效通風率等于414立方米/小時50立方米。
 
該系統實現了緊湊的設計,太陽能煙囪的尺寸為0.75 m×0.4 m,風塔的尺寸為1 m×1 m。
 
根據標準,優化的系統可達到可接受的CO2濃度(不超過1,000 ppm),尤其是在白天。
 
該系統的優先級是在夏季的炎熱季節應用。因此,該系統可以在夏季的白天使用。同時,可以在夜間室內溫度變得非常低(小于可接受范圍的80%的下限)時進行控制。
 
在炎熱和干燥的氣候下,這種擬議的緊湊型系統可以是傳統空調系統的經濟實用的被動替代方案,且不會釋放任何污染或消耗任何能源。最后,這些結果適用于頂層客廳中的集成系統。如果沒有進一步的模擬,它們將不會擴展到另一個階段。這項研究的結果有助于在廣東建立一個真實的模型,以便在內部負載下的廣東省東莞市夏季條件下,對真實模型的性能進行研究。
 

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